Sensor SPR para Detecção de Luz Ultravioleta UV-C

Figura 34 - Módulo sensor SPR Fonte: Acervo do Autor

A Figura 34 apresenta o módulo sensor SPR criado no Simulink® a partir do código do simulador de Fresnel. O código do simulador de Fresnel foi convertido em uma função no Matlab®, simul_fresnel, e inserida no módulo sensor SPR UV-C no Simulink®.

Por se tratar aqui de uma simulação foi necessário definir o momento em que o este módulo deveria ser acionado. A ativação do módulo sensor SPR UV-C ocorre quando o quantificador de efeito corona indica um valor igual ou maior que um. Neste instante o módulo sensor SPR UV-C gera a curva SPR, simulando a detecção da luz ultravioleta indicando a presença do efeito corona.

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5 TESTES INICIAIS

No estudo realizado por [7], os pesquisadores usaram um dos terminais da fonte de alta tensão diretamente no sensor SPR, como pode ser observado na Figura 35.

Apesar de controlarem a corrente usando um resistor de 22 MΩ em série com a agulha, existe um risco alto de circulação de corrente pelo sensor com esta configuração, o que poderia causar danos ao sensor e interferir negativamente nos valores medidos.

As condições físicas como temperatura e umidade, localizadas na região da emissão da descarga corona, podem sofrer alterações bruscas e aleatórias, devido à ionização do ar. Estas mudanças podem favorecer a redução da rigidez dielétrica do ar e criar um caminho para corrente elétrica passando pelo sensor. Este evento poderia destruir o sensor, uma vez que apenas alguns nanômetros de espessura de metal não seriam suficientes para escoar uma grande densidade de elétrons.

Potencial terra ligado diretamente ao sensor SPR

Figura 35 - Configuração usando o potencial negativo diretamente ao sensor SPR.

Fonte: Adaptada de [7].

Como o objetivo principal é irradiar o sensor SPR com a descarga corona, é sugerida a configuração da Figura 36. Nesta configuração, a necessidade do potencial de terra conectado diretamente ao sensor SPR é eliminada. Será necessário o uso de um resistor de alto valor ôhmico com o objetivo de deslocar todo o potencial

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da fonte para a ponta da agulha, ou ainda, excluir o resistor e aplicar um nível de tensão elevado acima de 10 kV.

Nesta etapa da pesquisa, foram realizados testes com o intuito de verificar a produção do efeito corona, através da aplicação de uma alta tensão a uma agulha. A comprovação do surgimento da descarga corona foi possível através de uma câmera de detecção ultravioleta (UV-C – Daycor, Foto 2 e Foto 3 .). O teste consistiu na aplicação de uma tensão que variou de 0,5 kVcc a 5 kVcc através de uma fonte de tensão de 10 kVcc (Foto 5), a uma agulha metálica de 3 mm de diâmetro (Foto 4), como mostrado na Figura 36. Todo o teste foi filmado com a câmera de detecção de corona - Daycor, ver Foto 3.

Fonte de Alta Tensão 10 kV

GND +

-Alta Tensão

GND

Câmera UV Daycor

Figura 36 - Descarga corona produzida na ponta de uma agulha.

Fonte: Acervo do Autor.

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Inicialmente, foram realizados testes para verificar os efeitos na integridade do prisma ao ser submetido a uma descarga corona intensa (ver Foto 7). Este teste consistiu na aplicação de uma tensão contínua positiva entre 10 kV e 24 kV com uma distância fixa entre o prisma e a agulha de 250 mm (ver Foto 8). Distâncias menores foram testadas, mas, ao aproximar de valores de tensão próximo a 20 kV, o gradiente disruptivo do ar foi ultrapassado e descargas disruptivas ocorreram. Estas descargas contornaram o prisma e atingiram diretamente a placa metálica, ou seja, o prisma não sofreu nenhuma avaria. Para a realização dos testes com a aplicação de um nível de

Foto 3 - Visor da câmera Daycor monitorando a detecção do efeito corona

Fonte: acervo do Autor

Foto 5 - Fonte de tensão CC até 10 kV Fonte: Acervo do Autor

Foto 4 – Efeito corona gerado na ponta de uma agulha

Fonte: Acervo do Autor

Foto 2 - Câmera UV-C Daycor Fonte: Acervo do Autor

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tensão maior que 10 kV (Figura 38), foi utilizada uma fonte de tensão contínua da Instronic® de 80 kVcc, mostrada na Foto 10.

Fonte de Alta Tensão 0,5 a 10 kV

GND

R ≥ 20 MΩ P ≤ 5 W

GND Agulha

Descarga Corona

Câmera Sensor SPR

Linha de dados Linha da dados

+

-Polarizador

Computador Alta Tensão

Figura 37 - Configuração proposta Fonte: Acervo do autor.

Foto 6 - Teste de irradiação da descarga corona no prisma de acrílico.

Fonte: Acervo do Autor.

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Fonte de Alta Tensão 80 kV

GND +

-Alta Tensão

GND Figura 38 – Testes de aplicação de tensão maior que 10 kV

Fonte: Acervo do Autor

Foto 7 - Distância da agulha ao prisma de acrílico.

Fonte: Acervo do Autor.

Para suprimir o referencial de terra e gerar a descarga corona sem o uso do resistor de controle de corrente, montou-se o setup da Figura 39. Com esta configuração, foram aplicados níveis de tensões acima de 10 kV até o máximo de 40 kV. Neste teste em questão, não foi possível o uso da câmera UV-C, portanto, foi necessário elevar a tensão até o valor de 40 kV para que houvesse a formação visual da descarga corona, como apresentado na Foto 9.

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Para aplicar este nível de tensão foi utilizada uma fonte com capacidade de desenvolver um nível de tensão de até 80 kV, apresentada na Foto 10.

Mesmo com tensões mais elevadas, sem o referencial de terra não ocorreram descargas elétricas entre a agulha e a placa metálica. Sob esta ótica, distâncias menores podem ser testadas sem o risco de o sensor com revestimento metálico ser percorrido por corrente nesta configuração.

Foto 8 - Tensão aplicada de 40 kV sem uso do referencial de terra na placa metálica.

Fonte: Acervo do Autor.

Fonte de Alta Tensão 80 kV

GND +

-Alta Tensão

Figura 39 - Testes com tensão de 40 kV sem referencial de terra na placa metálica.

Fonte: Acervo do Autor.

Foto 9 - Fonte de tensão contínua de 80 kV.

Fonte: Acervo do Autor.

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6 RESULTADOS

A ionização dos gases oxigênio (O²) e nitrogênio (N²) que compõem o ar atmosférico geram os seguintes subprodutos: ozônio (O³) e luz ultravioleta na banda C (Figura 40), respectivamente, sendo o ozônio causa da oxidação branca nas peças revestidas com zinco, fruto da combinação deste com o nitrogênio, enquanto a emissão do ultravioleta é fruto da ionização do nitrogênio exclusivamente [27].

Atualmente, o método de manutenção preditiva mais eficiente utilizado pelas concessionárias de energia elétrica na detecção do efeito corona é o uso de câmeras UV-C. Este é um método não invasivo e possui uma grande vantagem de poder inspecionar os equipamentos em operação e a distâncias seguras [11]. As câmeras UV-C são na verdade a junção de duas câmeras internas em uma única câmera. Uma grava imagens com a luz visível; a outra grava a luz UV-C, que é invisível para a visão humana. As duas imagens são então sobrepostas e apresentadas como uma única imagem, apresentando de forma visível a localização da fonte da descarga corona através de emissão de luz UV-C pelo fenômeno, como mostrado na Figura 41 e na Figura 42. A indicação visual da presença da luz ultravioleta é apresentada através de um borrão na imagem que cobre toda a área sob a presença do efeito corona. No exemplo apresentado nas Figuras 41 e 42 a paleta de cor ajustada na câmera está na cor vermelha, mas pode ser configurada de acordo com a escolha do operador da câmera. Nas Figuras 15, 16, 41 e 42 apresentam pontos soltos distantes do borrão.

Figura 40 - Comprimentos de ondas emitidas pelo sol

Fonte: [27]

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Estes pontos surgem na imagem aleatoriamente e não possui uma indicação precisa da causa; que pode ser, um ruído gerado pelo próprio sensor da câmera ou fotoionização provocada pela luz solar. Este fenômeno requer ainda uma análise mais detalhada.

Embora o uso da câmera seja essencialmente a detecção do efeito corona em LT, é possível detectar e visualizar outros fenômenos físicos que liberam radiação ultravioleta [11].

Apesar do uso da câmera UV-C ser atualmente o método mais eficiente na detecção do efeito corona, este apresenta ainda muita subjetividade, uma vez que a definição da presença ou não da manifestação do efeito corona é essencialmente uma análise visual das imagens, que é feita pelo engenheiro de linhas e/ou pelo técnico de linhas. A sensibilidade e a experiência destes especialistas é que dará ao método uma maior assertividade.

Fruto dessa experiência, outros fatores também são observados, tais como: o melhor horário para realizar o levantamento das imagens, temperatura e umidade relativa do ar. A escolha do horário em que a temperatura e a umidade relativa do ar estejam em condições favoráveis ao surgimento do efeito corona tem aumentado o percentual probabilístico de detecção do fenômeno e melhorado a assertividade do método durante as manutenções preditivas. Mas estas variáveis também alteram em função de cada região específica no Brasil, portanto, o melhor horário para colher as imagens em uma determinada região, pode não ser a ideal para outra. O posicionamento do operador da câmera em relação ao objetivo pode levar o analista ao erro, pois a imagem com o borrão UV-C não apresenta profundidade em elementos de imagem alinhados simetricamente. É preciso que o operador escolha uma posição

Figura 42 - Imagem gerada pela câmera UV-C

Fonte: (Contribuição Taesa) Figura 41 - Imagem gerada pela câmera UV-C Fonte: (Contribuição Taesa)

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em relação ao eixo da LT, onde seja possível captar a imagem de apenas um objetivo por vez.

O sentido de formação do efeito corona na cadeia de isoladores, se processa a partir da base da cadeia, no ponto de conexão com o cabo condutor, e à medida que o gradiente potencial se intensifica, tem-se uma evolução gradativa do fenômeno sobre os discos isoladores, sentido base ao topo da cadeia, Figura 15.

A Tabela 3 é o resultado do desenvolvimento e experiência acumulados em 04 anos de levantamentos feitos com a câmera UV-C (Daycor) nas concessões NTE, GTESA e PATESA da concessionária de transmissão de energia elétrica TAESA.

Com base nas análises e observações de centenas de imagens, feitas nestas concessões, técnicos e engenheiros desta concessionária, desenvolveram um método exclusivamente visual para definir a severidade da ocorrência do efeito corona nestas LT, é fato que em outras concessionárias do setor elétrico brasileiro e que utlizam a câmera UV-C, o métdo de análise é similar ao desenvolvido na TAESA.

O método consiste em definir um grau de severidade para a ação do efeito corona, baseado na quantidade de discos isoladores que estão sendo envolvidos por luz ultravioleta, apresentados nas imagens capturadas pela câmera UV-C.

Baseado nesta análise, foram definidos três graus de severidade S1, S2 e S3.

O grau de severidade S1 é considerado um grau de exposição leve ao efeito corona, e assim é classificado, quando, 50% dos discos da cadeia de isoladores são envolvidos com luz UV-C, detectado pela câmera UV-C Daycor. Este tipo de exposição requer uma nova verificação, no período de doze (12) meses, a partir da data da verificação inicial.

O grau de severidade S2 é considerado um grau de exposição moderado ao efeito corona, e requer um acompanhamento com inspeções a cada seis (06) meses para verificar a evolução do fenômeno. A cadeia de isoladores recebe esta classificação, quando, entre 50% e 80% dos discos isoladores, estão envolvidos com luz ultravioleta, de acordo com as imagens produzidas pela câmera UV-C Daycor.

O grau de severidade S3 é considerado um grau crítico de exposição ao efeito corona, e assim é classificado, quando, um percentual acima de 80% da cadeia de isoladores está submetida à luz ultravioleta. A severidade S3 requer uma ação imediata, o que significa a substituição de toda a cadeia de isoladores ou a sua lavagem para remoção das partículas que se acumulam nas “saias” dos discos isoladores. O prazo de 15 dias é necessário para programar e solicitar a intervenção

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junto ao ONS (Operador Nacional do Sistema). Um percentual superior a 90% desta atividade é realizado em linha viva, ou seja, a substituição da cadeia de isoladores é realizada com a linha energizada.

Tabela 3 - Definição do grau de severidade do efeito corona. ¹

Grau de Severidade

Nível de Tensão/Nº Discos

Isoladores Critérios Ação

230 kV 500 kV

S1 ≤ 8 ≤ 13 Até 50% Fazer acompanhamento após 12 meses

S2 9 a 12 14 a 20 Entre 50 e 80% Programar nova inspeção para 6 meses

S3 ≥ 13 ≥ 21 Acima de 80% Programar substituição ou lavagem da cadeia em até 15 dias

Fonte: (Contribuição Taesa)

A Tabela 4 apresenta um levantamento feito usando câmera UV-C Daycor.

Nesta tabela, são registrados os dados como: horário da inspeção, temperatura, umidade relativa do ar, número da torre e tipo de torre (ver Tabela 5). Após a análise das imagens e a definição do grau de severidade, são programadas ações necessárias para correção do problema. Com estas análises e ações, são evitados inúmeros desligamentos intempestivos que poderiam causar graves consequências para o SIN (Sistema Interligado Nacional).

Tabela 4 - Levantamento dos isoladores submetidos ao efeito corona.

DETECÇÃO DE CORONA EM ISOLADORES DE LT's E EQUIPAMENTOS DE SE's Torre / Equip. Tipo Data Hora Umidade (%) Temperatura

1Foram consideradas, para as LTs com nível de tensão nominal em 230 kV e 500 kV, cadeias de suspensão com 16 e 26 discos isoladores respectivamente.

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Tabela 5 – Código do tipo de torre e cadeia de isoladores

Código Tipo de torre Tipo de cadeia de isoladores

X30 Autoportante Ancoragem

X2A Estaiada Suspensão em ângulo

X1A Estaiada Suspensão

XS3 Autoportante Suspensão

Fonte: Acervo do Autor

6.1 Influência da Temperatura, Altitude e Fator de Superfície no Valor do ECRV